EP1246208A1 - PTC-Bauelement mit Halterung für PTC-Polymerelement - Google Patents

PTC-Bauelement mit Halterung für PTC-Polymerelement Download PDF

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EP1246208A1
EP1246208A1 EP01810306A EP01810306A EP1246208A1 EP 1246208 A1 EP1246208 A1 EP 1246208A1 EP 01810306 A EP01810306 A EP 01810306A EP 01810306 A EP01810306 A EP 01810306A EP 1246208 A1 EP1246208 A1 EP 1246208A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ptc
polymer element
expansion
component according
ptc polymer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01810306A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Glatz-Reichenbach
Erkki Rajala
Timo Jokiniemi
Jarkko Alanen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP01810306A priority Critical patent/EP1246208A1/de
Publication of EP1246208A1 publication Critical patent/EP1246208A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/027—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient consisting of conducting or semi-conducting material dispersed in a non-conductive organic material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/01—Mounting; Supporting
    • H01C1/016—Mounting; Supporting with compensation for resistor expansion or contraction

Definitions

  • This invention relates to a PTC device, which is a PTC polymer element and contains a holder for it.
  • PTC polymer elements are known per se. They consist of a matrix made of a polymer material, often a thermoplastic such as polyethylene, with at least one highly conductive filler added to the matrix, for example a metal powder, another conductive powder such as TiB 2 , graphite or carbon black.
  • the amount of electrically conductive filler should be above a material-dependent so-called percolation limit.
  • Other fillers may also be present, such as those with varistor properties.
  • the material aspect of the PTC polymer element plays no decisive role for the present invention and is not further problematized here because PTC polymer materials are extensively documented in the prior art.
  • the PTC transition which is in one certain relatively narrow transition temperature range takes place. With this The PTC transition increases the specific electrical resistance by many Orders of magnitude. The reason for this is due to the temperature increase induced mechanical expansion of the PTC polymer material that the previously for the conductivity essential intermediate bridges and contacts between the Filler particles and agglomerations weaken or even interrupt. The reason this is because the thermal expansion coefficient of the Matrix material are much larger than those of the filler.
  • the mechanical expansion of the PTC polymer material in the PTC transition can in Percentage range.
  • PTC polymer elements are exploited using this specific behavior used technically in different ways.
  • a main application is in Limitation and interruption of electrical currents.
  • the invention is not based on applications of the PTC device Resistor for limiting current or as a switch for interrupting current limited. Other possible applications are e.g. self-regulating Heating elements and sensors.
  • the underlying technical problem of the invention is a With regard to use even with very sudden PTC transitions specify improved structure of a PTC component.
  • a PTC component with a PTC polymer element containing a polymer matrix and at least one filler has that is good electrical conductivity, and all in one Response temperature range shows a PTC transition that with a strong Increased conductivity and a mechanical expansion is connected, and with a holder for the PTC polymer element, characterized in that the bracket is designed so that it extends at a PTC transition of the PTC polymer element within a predetermined expansion distance in a main direction of expansion at most a small counterforce opposed, and that the bracket has a limiting device which is designed so that when the specified expansion distance is exceeded a possible further expansion of the PTC polymer element by the Limiting device is opposed to a large counterforce Limit the expansion of the PTC polymer element, the predetermined Expansion distance is dimensioned so that the conductivity of the PTC polymer element has risen sharply when the PTC polymer element up has extended to the outer end of the specified expansion distance, however, mechanical overloading of the PTC polymer element is avoided.
  • the invention is based on the knowledge that very sudden PTC transitions to mechanical loads or damage to the PTC polymer element can lead, especially in the area of Response zone, i.e. where the actual PTC transition took place and the material is therefore the warmest. Because the mechanical expansions in the case of sudden PTC transitions, especially when limiting or Interruption of short-circuit currents, in the millisecond range or even Parts of the PTC polymer element may appear more quickly accelerated significant speeds. It can be done through the Mass inertia of the accelerated parts at the end of the PTC transition, i.e. at Completion of the actual mechanical expansion, through the sudden Delay of the briefly rapidly moving parts to considerable tensions come within the PTC polymer material. Especially in the warm Areas that are usually areas with a reduced material cross section are, mechanical damage can occur, the resistance in the undesirably increase the normal conducting state or the PTC polymer element to make something useless.
  • a holder for the PTC polymer element is therefore provided to be trained in such a way that for a given given Expansion distance, which is the desired expansion during the PTC transition corresponds, allows an expansion of the PTC polymer element and this opposes at most small forces, when this is exceeded Limiting distance, however, the expansion due to significantly larger counterforces limited.
  • the inertial forces should therefore be limited to that limit provided limiting device are caught and therefore not lead to excessive tensile stresses in the PTC polymer material itself can. It is important that the force applied to the PTC polymer element done in two stages. Within the given Mechanical expansion, the mechanical expansion is necessary and desirable, where their handicap due to excessive opposing forces the PTC transition could hinder, weaken or slow down. However, the extent is significantly larger than this specified distance, it should be as effective as possible limited, so the PTC polymer element are braked.
  • Preferred ranges for the quantitative measurement of the given Expansion distance in relation to the maximum expansion of the PTC polymer element a PTC transition is between 35%, better 50%, as the lower limit and 110%, better 100%, as the upper limit. It is mind the maximum static expansion of the PTC polymer element to go out; when measuring this expansion must therefore Overshoot effects are omitted. It is based on the explanations in Reference within the description of the exemplary embodiments.
  • the PTC polymer elements are elongated Rods or similar shaped. In these cases, it essentially plays Expansion of the PTC polymer element in the longitudinal direction of this shape Role, then the invention can also be limited to the extent of the PTC polymer element in this longitudinal direction. With the Extensions in the other directions perpendicular thereto are in such Geometries then correspondingly lower speeds and thus Inertia and possibly also smaller masses are connected. Naturally However, the invention can also be applied in more than one direction. This is of no further importance for the basic principle of the invention, which is why this description applies to cases with a limitation in only one direction limited.
  • the PTC polymer element can also For example, be held in the middle and extend from the center to two sides stretch out. Then two (or more) limiting devices can also be used Find application.
  • the limiting effect of the Limiting device is used discontinuously, for example the PTC polymer element with one end against a limiting device in the form of a simple attack without having been slowed down beforehand.
  • a such an approach would be within the scope of the invention, but is due to of the shock-like vibrations as less favorable.
  • the Limiting effect can be built up continuously by inserting the Sense of the choice of the concept of the main claim large counterforce already one of the Expansion of the PTC polymer element counteracting counterforce rises continuously.
  • this continuously increasing counterforce can be caused by a be built elastic medium, which is designed so that it in its Effect of the limiting device is connected upstream.
  • a be built elastic medium which is designed so that it in its Effect of the limiting device is connected upstream.
  • the Reference examples in which various preferred Embodiments for the elastic medium are shown, namely a Spring, an enclosed gas volume - also in combination with a Liquid - and an elastomer element (or a plurality of each Elements).
  • these variants could also be mixed together become.
  • the elastic medium can be particularly advantageous to use in such a way that the elastic limit of the elastic medium is reached before the large counterforce of the limiting device is applied, and not in the sense of destruction of the elastic medium (something like a tension spring breaking), but in Form of a very strong increase in the counterforce with further expansion of the PTC polymer element.
  • this can be done by the end of the spring travel of a softer first spring, whereupon only a second, harder spring is compressed, which can also be so hard that it can itself build up the large counterforce of the limiting device, that is, the limiting device itself.
  • elastomer elements to be designed in this way be that a near the end of the specified distance The elasticity constant increases. This can be due to over-strong Compression of the elastomer material by installing a harder core suitable shape can be achieved.
  • the limiting device should at best be designed in such a way that overshoot of the PTC polymer element in the event of a very sudden expansion as a result of a PTC transition is completely prevented. Which quantitative values are necessary for this is a question of the individual case.
  • the counterforce applied to the PTC polymer element within the predetermined expansion distance should preferably not be greater than about 25 N / cm 2 (based on the minimum cross section of the PTC polymer element). With an elastic counterforce, at the end of the specified expansion distance, this value should be at most approximately, i.e.
  • the elastic constant should be dimensioned accordingly, taking into account the length of the permissible expansion distance (for an exemplary movement distance of 200 ⁇ m, for example, with a 20 mm long PTC polymer element to a surface-specific elastic constant of ⁇ 1250 N / cm 3 .
  • FIG. 1 shows a typical time course diagram of one by an inventive one PTC component limited short-circuit current and the mechanical Expansion of the PTC polymer element.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment for a PTC component according to the invention with a double spring as an elastic medium.
  • Figure 3 shows a second embodiment with a closed Volume of gas as an elastic medium and a liquid.
  • Figure 4 shows a third exemplary embodiment with a gas as elastic Medium.
  • Figure 5 shows a last embodiment with elastomer elements as elastic medium.
  • FIG 1 is a typical timing diagram for a PTC transition shown.
  • the abscissa shows the time axis t in ms, the left coordinate the Size of a short-circuit current I to be limited in amperes and the right one Coordinate, the expansion d of the PTC polymer element that occurs due to the PTC transition in micrometers, in the longitudinal direction of a rod-shaped PTC element, as shown schematically in Figures 2-5.
  • the mechanical expansion of the PTC polymer element continues to increase and shows between an amount of 50 microns and an amount of 70 Micrometer, i.e. between the times 2.5 ms and 3.3 ms, one pronounced overshoot. After this overshoot the expansion stabilizes at the static maximum value of about 50 Micrometers.
  • the extension of the response zone was in the Longitudinal direction about 5 mm, so that one has an expansion coefficient of can run out about 1%.
  • the maximum static expansion was however in The overshoot is exceeded by about 30%.
  • This Overextension and the subsequent swinging back are with a massive mechanical stress on the response zone of the PTC polymer element connected, which is to be reduced or avoided according to the invention. To do this the expansion of the PTC polymer element to an amplitude of approximately 25-50 Micrometers (in the present case), because obviously already at relatively low expansion values the desired current limiting function to a considerable extent.
  • FIG. 2 shows a schematically illustrated example.
  • the PTC polymer element 1 installed in a holder 2 in the form of a rigid frame, the left end of the PTC polymer element 1 in the figure being firmly attached to the Bracket 2 is anchored.
  • a double spring 3,4 used between one of the PTC polymer elements opposite end of the holder 2 and the free end of the PTC polymer element 1 is a double spring 3,4 used, the PTC polymer element 1 facing part 3 a relatively large spring constant has, while the other part 4 has a very small spring constant.
  • the Order could also be reversed).
  • the soft spring 4 is first compressed until it is completely compressed.
  • the length of the soft spring 4 in The “cold” state of the PTC polymer element 1 in the left representation in FIG. 2 adapted to the desired maximum expansion of the PTC polymer element 1, so set to about 40 microns. It goes without saying that this one schematically drawn coil springs do not form a realistic representation.
  • very flat elastic metal elements such as disc springs, use an elastic deformation over a distance of 40 Allow micrometers (or another desired distance).
  • portable Electrical contacts could be caused, for example, by weak wires be contacted.
  • the PTC polymer 1 can thus extend over the predetermined expansion distance of about 40 microns against the relatively small spring counterforce of the soft Extend spring 4 and only then will the much greater counterforce the hard spring 3 prevented from further expansion.
  • the difference between the two spring constants should be significant, for example correspond to a factor of 10 - 1000 or greater. This will make it Prevents overshoot of the accelerated parts of the PTC polymer element 1 by slowing them down effectively.
  • the hard spring 3 and the frame of the Bracket 2 thus absorb the forces that without the invention of the Response zone should be worn.
  • the PTC polymer element 1 is as simple bar drawn. Of course, it actually has a more complicated one Shape, in particular it has a central constriction to define a Response zone. However, these details are for the principle of the invention irrelevant.
  • the second exemplary embodiment in FIG. 3 differs from the first Embodiment of Figure 2 in that the double spring 3, 4 is replaced by a gas volume 9 and a liquid volume 8 in one closed vessel 7.
  • the PTC polymer element 1 is at its in Figure 3 upper end attached to a part 6 of the bracket and protrudes with its lower End in a sealed manner into the vessel 7.
  • In the vessel 7 is a liquid 8 in contact with the lower side of the PTC polymer element 1 and also a volume of gas 9. If the PTC polymer element 1 as a result of a PTC transition with its underside downward, it pushes the Liquid level below itself, so that the liquid level in the remaining area of the vessel 7 rises and the gas volume 9 compressed.
  • the PTC movement becomes a certain counterforce opposed.
  • the hydrodynamic damping should not be too great, just to have a smoother transition between the spring constants generate, but not to hinder the PTC transition.
  • the elastic constant of the gas volume 9 thus has a linear one Expansion of the PTC polymer element 1 a pole. This will make the Expansion of the PTC polymer element 1 towards the end of the intended Expansion distance with continuously but strongly increasing counterforce limited.
  • the next exemplary embodiment from FIG. 4 largely corresponds to the second Exemplary embodiment from FIG. 3, but in this case the liquid 8 is omitted.
  • the PTC polymer element 1 is here through a seal 10 sealed that the gas volume 9 can not escape from the vessel 7. Expansion of the PTC polymer element 1 causes compression of the Gases 9 within the vessel 7, the pressure again increasing sharply. Due to the inverse proportionality between pressure and volume is also here a strong disproportionate increase in the elasticity constant of the Given gas volume 9. This can be done by choosing a gas with a large Kovolumen be increased.
  • the last exemplary embodiment in FIG. 5 uses elastomer elements 11 which between the top of the PTC element 1 and a part 13 of the holder lie.
  • the underside of the PTC element 1 is on another part 12 of the Bracket attached.
  • the PTC polymer element 1 now expands the elastomeric elements 11 are compressed, here also by corresponding Material choice or shape or through a harder core within the Elastomer elements 11 achieved a disproportionate increase in the counterforce can be.
  • the expansion of the PTC element 1 by Stop the top against the bracket part 13 are limited.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein PTC-Bauelement, bei dem ein PTC-Polymerelement (1) durch eine Halterung (2, 3, 4) in seiner Ausdehnung begrenzt wird, so daß Überschwingvorgänge bei heftigen PTC-Übergängen vermieden werden und eine mechanische Überbeanspruchung des PTC-Polymerelements (1) verhindert werden kann.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf ein PTC-Bauelement, das ein PTC-Polymerelement und eine Halterung hierfür enthält.
Stand der Technik
PTC-Polymerelemente sind an sich bekannt. Sie bestehen aus einer Matrix aus einem Polymermaterial, häufig einem Thermoplasten wie Polyethylen, wobei der Matrix zumindest ein gut leitfähiger Füllstoff zugesetzt ist, etwa ein Metallpulver, ein anderweitiges leitfähiges Pulver wie TiB2, Graphit oder Ruß. Dabei sollte die Menge des elektrisch leitfähigen Füllstoffs über einer materialabhängigen sogenannten Perkolationsgrenze liegen. Es können auch andere Füllstoffe enthalten sein, etwa solche mit Varistoreigenschaften. Der Materialaspekt des PTC-Polymerelements spielt für die vorliegende Erfindung keine entscheidende Rolle und wird hier nicht weiter problematisiert, weil PTC-Polymermaterialien im Stand der Technik umfangreich dokumentiert sind.
Typisch für PTC-Polymermaterialien ist der PTC-Übergang, der in einem bestimmten relativ schmalen Übergangstemperaturbereich stattfindet. Bei diesem PTC-Übergang vergrößert sich der spezifische elektrische Widerstand um viele Größenordnungen. Ursache hierfür ist eine durch die Temperaturerhöhung induzierte mechanische Ausdehnung des PTC-Polymermaterials, die die zuvor für die Leitfähigkeit wesentlichen Zwischenbrücken und Kontakte zwischen den Füllstoffpartikeln und -agglomerationen schwächt oder gar unterbricht. Der Grund hierfür liegt daran, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Matrixmaterials sehr viel größer als diejenigen des Füllstoffs sind. Die mechanische Ausdehnung des PTC-Polymermaterials im PTC-Übergang kann im Prozentbereich liegen.
PTC-Polymerelemente werden unter Ausnutzung dieses spezifischen Verhaltens in verschiedener Weise technisch eingesetzt. Eine Hauptanwendung liegt in der Begrenzung und Unterbrechung von elektrischen Strömen. Dabei kann der durch das PTC-Polymerelement fließende und zu unterbrechende Strom durch die Joulesche Verlustwärme entweder selbst für den PTC-Übergang verantwortlich sein oder durch äußere Wäremezufuhr ein solcher Übergang induziert werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf Anwendungen des PTC-Bauelements als Widerstand zur Strombegrenzung oder als Schalter zur Stromunterbrechung eingeschränkt. Andere mögliche Anwendungen sind z.B. selbstregulierende Heizelemente und Sensoren.
Darstellung der Erfindung
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, einen im Hinblick auf die Anwendung auch bei sehr plötzlichen PTC-Übergängen verbesserten Aufbau eines PTC-Bauelements anzugeben.
Erfindungsgemäß wird hierzu vorgeschlagen ein PTC-Bauelement mit einem PTC-Polymerelement, das eine Polymermatrix und zumindest einen Füllstoff aufweist, der elektrisch gut leitfähig ist, und das in einem Ansprechtemperaturbereich einen PTC-Übergang zeigt, der mit einer starken Leitfähigkeitserhöhung und einer mechanischen Ausdehnung verbunden ist, und mit einer Halterung für das PTC-Polymerelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung so ausgelegt ist, daß sie bei einem PTC-Übergang der Ausdehnung des PTC-Polymerelements innerhalb einer vorgegebenen Ausdehnungsstrecke in einer Hauptausdehnungsrichtung höchstens eine geringe Gegenkraft entgegensetzt, und daß die Halterung eine Begrenzungsvorrichtung aufweist, die so ausgelegt ist, daß bei Überschreiten der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke einer etwaigen weiteren Ausdehnung des PTC-Polymerelements durch die Begrenzungsvorrichtung eine große Gegenkraft entgegengesetzt wird, um die Ausdehnung des PTC-Polymerelements zu begrenzen, wobei die vorgegebene Ausdehnungsstrecke so bemessen ist, daß die Leitfähigkeit des PTC-Polymerelements stark angestiegen ist, wenn sich das PTC-Polymerelement bis zu dem äußeren Ende der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke ausgedehnt hat, eine mechanische Überlastung des PTC-Polymerelements jedoch vermieden wird.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, daß sehr plötzliche PTC-Übergänge zu mechanischen Belastungen oder auch Beschädigungen des PTC-Polymerelements führen können, und zwar vor allem im Bereich der Ansprechzone, also dort, wo der eigentliche PTC-Übergang stattgefunden hat und das Material demzufolge am wärmsten ist. Da die mechanischen Ausdehnungen bei plötzlichen PTC-Übergängen, insbesondere bei der Begrenzung oder Unterbrechung von Kurzschlußströmen, im Millisekundenbereich oder noch schneller auftreten können, werden Teile des PTC-Polymerelements auf erhebliche Geschwindigkeiten beschleunigt. Dabei kann es durch die Massenträgheit der beschleunigten Teile am Ende des PTC-Übergangs, also bei Abschluß der eigentlichen mechanischen Ausdehnung, durch die plötzliche Verzögerung der kurzzeitig schnellbewegten Teile zu erheblichen Spannungen innerhalb des PTC-Polymermaterials kommen. Insbesondere in den warmen Bereichen, die in der Regel auch Bereiche mit verringertem Materialquerschnitt sind, können dabei mechanische Schäden auftreten, die den Widerstand im normalleitenden Zustand unerwünschterweise erhöhen oder das PTC-Polymerelement unbrauchbar machen.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, eine Halterung für das PTC-Polymerelement so auszubilden, daß sie für eine bestimmte vorgegebene Ausdehnungsstrecke, die der gewünschten Ausdehnung während des PTC-Übergangs entspricht, eine Ausdehnung des PTC-Polymerelements zuläßt und dieser höchstens geringe Kräfte entgegensetzt, bei Überschreiten dieser Begrenzungsstrecke jedoch die Ausdehnung durch deutlich größere Gegenkräfte begrenzt. Die Trägheitskräfte sollen also von der für diese Begrenzung vorgesehenen Begrenzungsvorrichtung aufgefangen werden und damit nicht mehr zu übergroßen Zugspannungen in dem PTC-Polymermaterial selbst führen können. Wichtig ist hierbei, daß die Kraftbeaufschlagung des PTC-Polymerelements zweistufig erfolgt. Innerhalb der vorgegebenen Bewegungsstrecke ist die mechanische Ausdehnung notwendig und erwünscht, wobei ihre Behinderung durch zu große Gegenkräfte den PTC-Übergang behindern, schwächen oder verlangsamen könnte. Ist die Ausdehnung jedoch deutlich größer als diese vorgegebene Strecke, so soll sie möglichst wirksam begrenzt werden, das PTC-Polymerelement also abgebremst werden.
Da sich der PTC-Übergang über einen bestimmten Bereich vollzieht, in dem der gewünschte Widerstandsanstieg in solch großem Umfang auftritt, daß gewöhnlich schon ein Teil dieses Widerstandsanstiegs für die technische Anwendung ausreicht, ist es nicht unbedingt notwendig, daß die vorgegebene Ausdehnungsstrecke ganz genau auf den maximal möglichen Bewegungshub im PTC-Übergang abgestimmt ist. Sie kann vielmehr auch etwas kürzer sein, und zwar abhängig davon, welche Anforderungen an den PTC-Übergang gestellt werden. Umgekehrt ist es nicht zwangsläufig schädlich, wenn die vorgegebene Bewegungsstrecke geringfügig größer als der maximal mögliche Hub im PTC-Übergang ist. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung können auch schon erzielt werden, wenn nur ein erheblicher Teil des "Überschießens" bei heftigen PTC-Übergängen abgefangen wird.
Bevorzugte Bereiche für die quantitative Bemessung der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke in Relation zu der maximalen Ausdehnung des PTC-Polymerelements bei einem PTC-Übergang liegen zwischen 35 %, besser 50 %, als Untergrenze und 110 %, besser 100 %, als Obergrenze. Dabei ist wohlgemerkt von der maximalen statischen Ausdehnung des PTC-Polymerelements auszugehen; bei Messung dieser Ausdehnung müssen also Überschwingeffekte weggelassen werden. Es wird auf die Erläuterungen im Rahmen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele verwiesen.
Bei sehr vielen Anwendungen sind die PTC-Polymerelemente langgestreckte Stäbe oder ähnlich geformt. In diesen Fällen spielt im wesentlichen die Ausdehnung des PTC-Polymerelements in der Längsrichtung dieser Form eine Rolle, dann kann sich die Erfindung auch darauf beschränken, die Ausdehnung des PTC-Polymerelements in dieser Längsrichtung zu begrenzen. Mit den Ausdehnungen in den dazu senkrechten übrigen Richtungen sind bei solchen Geometrien dann entsprechend geringere Geschwindigkeiten und damit Trägheitskräfte sowie möglicherweise auch kleinere Massen verbunden. Natürlich kann die Erfindung aber auch in mehr als einer Richtung angewendet werden. Dies ist für das Grundprinzip der Erfindung ohne weitere Bedeutung, weswegen sich diese Beschreibung auf Fälle mit einer Begrenzung in nur einer Richtung beschränkt.
Im Regelfall wird es am günstigsten sein, das PTC-Polymerelement einseitig zu haltern, etwa an und mit Hilfe eines elektrischen Kontakts, und die Bewegung des entgegengesetzten Endes des PTC-Polymerelements zu begrenzen. An diesem entgegengesetzten Ende kann dann ein flexibel angeschlossener Kontakt vorgesehen sein. Übrigens kann dieser elektrische Kontakt auch eine wesentliche Mitursache für die durch die Erfindung zu verhindernden mechanischen Schäden sein, indem er die Massenträgheit des beschleunigten Teils des PTC-Polymerelements erhöht. Natürlich kann das PTC-Polymerelement aber auch beispielsweise mittig gehalten werden und sich von der Mitte aus zu zwei Seiten hin ausdehnen. Dann können auch zwei (oder mehrere) Begrenzungsvorrichtungen Anwendung finden.
Es sollte vorzugsweise vermieden werden, daß die Begrenzungswirkung der Begrenzungsvorrichtung diskontinuierlich einsetzt, also beispielsweise das PTC-Polymerelement mit einem Ende gegen eine Begrenzungsvorrichtung in Form eines einfachen Anschlags schlägt, ohne zuvor abgebremst worden zu sein. Eine solche Vorgehensweise wäre zwar im Bereich der Erfindung, wird jedoch wegen der stoßartigen Erschütterungen als weniger günstig angesehen. Vielmehr soll die Begrenzungswirkung kontinuierlich aufgebaut werden, indem vor Einsetzen der im Sinn der Begriffswahl des Hauptanspruchs großen Gegenkraft bereits eine der Ausdehnung des PTC-Polymerelements entgegenwirkende Gegenkraft kontinuierlich ansteigt.
Beispielsweise kann diese kontinuierlich ansteigende Gegenkraft durch ein elastisches Medium aufgebaut werden, das so ausgelegt ist, daß es in seiner Wirkung der Begrenzungsvorrichtung vorgeschaltet ist. Hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele verwiesen, in denen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen für das elastische Medium dargestellt sind, nämlich eine Feder, ein eingeschlossenes Gasvolumen - auch in Kombination mit einer Flüssigkeit - und ein Elastomerelement (oder jeweils eine Mehrzahl dieser Elemente). Natürlich könnten diese Varianten auch unter einander gemischt werden.
Es kann insbesondere günstig sein, das elastische Medium so einzusetzen, daß vor dem Einsetzen der großen Gegenkraft der Begrenzungsvorrichtung bereits die Elastizitätsgrenze des elastischen Mediums erreicht wird, und zwar nicht im Sinne einer Zerstörung des elastischen Mediums (etwas des Bruchs einer Zugfeder), sondern in Form einer sehr starken Erhöhung der Gegenkraft mit weiterer Ausdehnung des PTC-Polymerelements. Beispielsweise kann dies erfolgen durch das Ende des Federwegs einer weicheren ersten Feder, woraufhin nur noch eine zweite härtere Feder komprimiert wird, die im übrigen so hart sein kann, daß sie selbst schon die große Gegenkraft der Begrenzungsvorrichtung aufbauen kann, also die Begrenzungsvorrichtung selbst darstellend. Desweiteren kommt bei einem eingeschlossenen Gasvolumen in Betracht, das Volumen von dem PTC-Polymerelement soweit komprimieren zu lassen, daß die Druckzunahme mit weiterer Wegausdehnung sehr stark wird oder sogar das sogenannte Kovolumen des Gases wesentlich wird, also das Verhalten eines idealen Gases mit zum Volumen umgekehrt proportionalem Druck im Sinne einer überproportionalen Druckzunahme mit Volumenverkleinerung verlassen wird. Dazu bieten sich natürlich insbesondere Gase mit relativ großen Molekülen an, beispielsweise CO2 oder Gase mit noch größeren Kovolumina.
Schließlich ist es auch denkbar, daß bei Elastomerelementen diese so ausgelegt werden, daß in der Nähe des Endes der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke eine Zunahme der Elastizitätskonstanten erfolgt. Dies kann etwa durch überstarke Kompression des Elastomermaterials, durch Einbau eines härteren Kerns, durch geeignete Formgebung erreicht werden.
Insgesamt sollte die Begrenzungsvorrichtung im günstigsten Fall so ausgelegt sein, daß ein Überschwingen des PTC-Polymerelements bei einer sehr plötzlichen Ausdehnung infolge eines PTC-Übergangs gänzlich unterbunden wird. Welche quantitativen Werte hierfür notwendig sind, ist eine Frage des Einzelfalls. Die innerhalb der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke an dem PTC-Polymerelement anliegende Gegenkraft sollte vorzugsweise nicht größer sein als etwa 25 N/cm2 (bezogen auf den minimalen Querschnitt des PTC-Polymerelements). Bei einer elastischen Gegenkraft sollte also am Ende der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke höchstens etwa dieser Wert vorliegen, die Elastizitätskonstante also mit Rücksicht auf die Länge der zulässigen Ausdehnungsstrecke entsprechend bemessen werden (bei einer beispielhaften Bewegungsstrecke von 200 µm bei einem beispielhaft 20 mm langen PTC-Polymerelement also etwa auf eine flächenspezifische Elastizitätskonstante von ≤ 1250 N/cm3.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand verschiedener Ausführungsbeispiele im einzelnen veranschaulicht. Dabei offenbarte Merkmale können auch in anderen als den dargestellten Kombinationen oder einzeln erfindungswesentlich sein.
Figur 1 zeigt ein typisches Zeitverlaufsdiagramm eines durch ein erfindungsgemäßes PTC-Bauelement begrenzten Kurzschlußstromes und der mechanischen Ausdehnung des PTC-Polymerelements dabei.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes PTC-Bauelement mit einer doppelten Feder als elastisches Medium.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem abgeschlossenen Gasvolumen als elastisches Medium und einer Flüssigkeit.
Figur 4 zeigt ein drittes Auführungsbeispiel mit einem Gas als elastisches Medium.
Figur 5 zeigt ein letztes Ausführungsbeispiel mit Elastomerelementen als elastisches Medium.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In Figur 1 ist ein typisches Zeitverlaufsdiagramm für einen PTC-Übergang dargestellt. Die Abszisse zeigt die Zeitachse t in ms, die linke Koordinate die Größe eines zu begrenzenden Kurzschlußstromes I in Ampère und die rechte Koordinate, die durch den PTC-Übergang auftretende Ausdehnung d des PTC-Polymerelements in Mikrometern, und zwar in der Längsrichtung eines stabförmigen PTC-Elements, wie in den Figur 2 - 5 schematisch dargestellt. Man erkennt, daß der Kurzschlußstrom ab dem Zeitpunkt von 1,5 ms sprunghaft innerhalb einer halben ms auf seinen Maximalwert ansteigt und daß dabei etwa 0,2 - 0,3 ms nach dem Stromanstieg die charakteristische Ausdehnung des PTC-Polymermaterials beginnt. Diese hat bereits zu dem Zeitpunkt von 2,1 ms an eine strombegrenzende Wirkung. Schon zum Zeitpunkt 2,2 ms ist der Strom fast auf null abgefallen, obwohl die Ausdehnung gerade einmal ein Fünftel des statischen Maximums erreicht hat. Dies liegt an der extremen Zunahme des elektrischen Widerstandes im PTC-Übergang. Zu berücksichtigen ist im übrigen die Trägheit der Wärmeleitung vom Ort ihrer Erzeugung an den Kontaktpunkten des Füllmaterials in das sich ausdehnende Polymermatrixmaterial.
Die mechanische Ausdehnung des PTC-Polymerelements nimmt weiter zu und zeigt zwischen einem Betrag von 50 Mikrometer und einem Betrag von 70 Mikrometer, also etwa zwischen den Zeitpunkten 2,5 ms und 3,3 ms, einen ausgeprägten Überschwingvorgang. Nach diesem Überschwingvorgang stabilisiert sich die Ausdehnung bei dem statischen Maximalwert von etwa 50 Mikrometern. Im vorliegenden Fall war die Ausdehnung der Ansprechzone in der Längsrichtung etwa 5 mm, so daß man von einem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 1 % ausgehen kann. Die maximale statische Ausdehnung wurde jedoch im Rahmen des Überschwingvorgangs um etwa 30 % überschritten. Diese Überdehnung und das anschließende Zurückschwingen sind mit einer massiven mechanischen Beanspruchung der Ansprechzone des PTC-Polymerelements verbunden, die erfindungsgemäß verringert oder vermieden werden soll. Dazu soll die Ausdehnung des PTC-Polymerelements auf eine Amplitude von etwa 25 - 50 Mikrometern (im vorliegenden Fall) begrenzt werden, weil offensichtlich schon bei relativ niedrigen Werten der Ausdehnung die gewünschte Strombegrenzungsfunktion in erheblichem Umfang vorliegt.
Figur 2 zeigt hierzu ein schematisch dargestelltes Beispiel. Dabei ist das PTC-Polymerelement 1 in einer Halterung 2 in Form eines starren Rahmens eingebaut, wobei das in der Figur linke Ende des PTC-Polymerelements 1 fest an der Halterung 2 verankert ist. Zwischen einem dem PTC-Polymerelement entgegengesetzten Ende der Halterung 2 und dem freien Ende des PTC-Polymerelements 1 ist eine doppelte Feder 3,4 eingesetzt, deren dem PTC-Polymerelement 1 zugewandter Teil 3 eine relative große Federkonstante aufweist, während der andere Teil 4 eine sehr kleine Federkonstante aufweist. Die Anordnung könnte auch umgekehrt sein).
Wenn sich das PTC-Polymerelement 1 im Verlauf des PTC-Übergangs mit seinem rechten Ende nach rechts ausdehnt, wie in der zweiten Darstellung der Figur 2 gestrichelt angedeutet, so wird zunächst die weiche Feder 4 komprimiert, bis sie gänzlich zusammengedrückt ist. Dabei ist die Länge der weichen Feder 4 im "kalten" Zustand des PTC-Polymerelements 1 in der linken Darstellung in Figur 2 der gewünschten maximalen Ausdehnung des PTC-Polymerelements 1 angepaßt, also auf etwa 40 Mikrometer eingestellt. Es versteht sich, daß die hier schematisch gezeichneten Schraubenfedern keine realistische Darstellung bilden. In der Praxis wird man sehr flache elastische Metallelemente, etwa Tellerfedern, verwenden, die eben eine elastische Verformung über eine Strecke von 40 Mikrometern (oder eine andere gewünschte Strecke) zulassen. Bewegliche elektrische Kontakte könnten beispielsweise durch kraftlos geführte Litzen kontaktiert werden.
Somit kann sich das PTC-Polymer 1 über die vorgegebene Ausdehnungsstrecke von etwa 40 Mikrometern gegen die relativ kleine Federgegenkraft der weichen Feder 4 ausdehnen und wird erst danach durch die sehr viel größere Gegenkraft der harten Feder 3 von einer weiteren Ausdehnung abgehalten. Der Unterschied zwischen den beiden Federkonstanten sollte dabei erheblich sein, beispielsweise einem Faktor 10 - 1000 oder größer entsprechen. Dadurch wird das Überschwingen der beschleunigten Teile des PTC-Polymerelements 1 verhindert, indem diese wirksam abgebremst werden. Die harte Feder 3 und der Rahmen der Halterung 2 nehmen somit die Kräfte auf, die ohne die Erfindung von der Ansprechzone getragen werden müßten.
Bei dieser und den folgenden Darstellungen ist das PTC-Polymerelement 1 als einfacher Stab eingezeichnet. Es hat tatsächlich natürlich eine kompliziertere Form, insbesondere weist es eine mittige Einschnürung zur Definition einer Ansprechzone auf. Diese Einzelheiten sind jedoch für das Prinzip der Erfindung ohne Belang.
Das zweite Ausführungsbeispiel in Figur 3 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel aus Figur 2 dadurch, daß die doppelte Feder 3,4 ersetzt ist durch ein Gasvolumen 9 und ein Flüssigkeitsvolumen 8 in einem abgeschlossenen Gefäß 7. Das PTC-Polymerelement 1 ist an seinem in Figur 3 oberen Ende an einem Teil 6 der Halterung befestigt und ragt mit seinem unteren Ende in abgedichteter Weise in das Gefäß 7 hinein. In dem Gefäß 7 befindet sich in Kontakt mit der unteren Seite des PTC-Polymerelements 1 eine Flüssigkeit 8 und außerdem ein Gasvolumen 9. Wenn sich das PTC-Polymerelement 1 infolge eines PTC-Übergangs mit seiner Unterseite nach unten ausdehnt, drückt es den Flüssigkeitsspiegel unter sich nach unten, so daß der Flüssigkeitsspiegel im übrigen Bereich des Gefäßes 7 nach oben steigt und das Gasvolumen 9 komprimiert. Durch den zunehmenden Eigendruck des Gasvolumens 9 einerseits und durch die hydrodynamischen Widerstände innerhalb der Flüssigkeit 8 andererseits wird dabei der PTC-Bewegung eine gewisse Gegenkraft entgegengesetzt. Die hydrodynamische Dämpfung sollte dabei nicht zu groß sein, um lediglich einen gleichmäßigeren Übergang zwischen den Federkonstanten zu erzeugen, jedoch den PTC-Übergang nicht zu behindern.
Wenn das Gasvolumen fast verschwunden ist, erhöht sich sein Innendruck dramatisch, weil er vom Kovolumen des Gases abgesehen umgekehrt proportional zu dem sich verringernden Volumen zunimmt. Die Elastizitätskonstante des Gasvolumens 9 hat also gegenüber der linearen Ausdehnung des PTC-Polymerelements 1 eine Polstelle. Dadurch wird die Ausdehnung des PTC-Polymerelements 1 gegen Ende der vorgesehenen Ausdehnungsstrecke mit kontinuierlich aber stark ansteigender Gegenkraft begrenzt.
Das nächste Ausführungsbeispiel aus Figur 4 entspricht weitgehend dem zweiten Ausführungsbeispiel aus Figur 3, wobei jedoch in diesem Fall die Flüssigkeit 8 weggelassen ist. Das PTC-Polymerelement 1 ist hier durch eine Dichtung 10 so abgedichtet, daß das Gasvolumen 9 nicht aus dem Gefäß 7 entweichen kann. Eine Ausdehnung des PTC-Polymerelements 1 bewirkt eine Kompression des Gases 9 innerhalb des Gefäßes 7, wobei der Druck wiederum stark zunimmt. Durch die umgekehrte Proportionalität zwischen Druck und Volumen ist auch hier eine starke überproportionale Zunahme der Elastizitätskonstanten des Gasvolumens 9 gegeben. Dies kann durch Wahl eines Gases mit großem Kovolumen noch verstärkt werden.
Das letzte Ausführungsbeispiel in Figur 5 verwendet Elastomerelemente 11, die zwischen der Oberseite des PTC-Elements 1 und einem Teil 13 der Halterung liegen. Die Unterseite des PTC-Elements 1 ist an einem anderen Teil 12 der Halterung befestigt. Wenn sich das PTC-Polymerelement 1 nun ausdehnt, werden die Elastomerelemente 11 komprimiert, wobei auch hier durch entsprechende Materialwahl oder Formgebung oder durch einen härteren Kern innerhalb der Elastomerelemente 11 eine überproportionale Zunahme der Gegenkraft erreicht werden kann. Schließlich kann die Ausdehnung des PTC-Elements 1 durch Anschlagen der Oberseite gegen das Halterungsteil 13 begrenzt werden.
Bezugszeichenliste
1
PTC-Polymerelement
2
Halterung
3
harte Feder
4
weiche Feder
6
Halterungsteil
7
abgeschlossenes Gefäß
8
Flüssigkeitsvolumen
9
Gasvolumen
10
Dichtung
11
Elastomerelement
12
Halterungsteil
13
Halterungsteil

Claims (15)

  1. PTC-Bauelement
    mit einem PTC-Polymerelement (1), das eine Polymermatrix und zumindest einen Füllstoff aufweist, der elektrisch gut leitfähig ist, und das in einem Ansprechtemperaturbereich einen PTC-Übergang zeigt, der mit einer starken Leitfähigkeitserhöhung und einer mechanischen Ausdehnung verbunden ist, und
    mit einer Halterung (2, 6, 7, 12, 13) für das PTC-Polymerelement,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (2, 6, 7, 12, 13) so ausgelegt ist, daß sie bei einem PTC-Übergang der Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) innerhalb einer vorgegebenen Ausdehnungsstrecke in einer Hauptausdehnungsrichtung höchstens eine geringe Gegenkraft entgegensetzt, und
    daß die Halterung (2, 6, 7, 12, 13) eine Begrenzungsvorrichtung (3, 7, 8, 9, 11, 13) aufweist, die so ausgelegt ist, daß bei Überschreiten der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke einer etwaigen weiteren Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) durch die Begrenzungsvorrichtung eine große Gegenkraft entgegengesetzt wird, um die Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) zu begrenzen,
    wobei die vorgegebene Ausdehnungsstrecke so bemessen ist, daß die Leitfähigkeit des PTC-Polymerelements (1) stark angestiegen ist, wenn sich das PTC-Polymerelement (1) bis zu dem äußeren Ende der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke ausgedehnt hat, eine mechanische Überlastung des PTC-Polymerelements (1) jedoch vermieden wird.
  2. PTC-Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das PTC-Polymerelement (1) eine langgestreckte Form hat und die Begrenzungsvorrichtung (3, 7, 8, 9, 11, 13) die Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) nur in der Längsrichtung dieser Form begrenzt.
  3. PTC-Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das PTC-Polymerelement (1) einseitig gehalten ist und an einer entgegengesetzten Seite mit der Begrenzungsvorrichtung (3, 7, 8, 9, 11, 13) wechselwirkt.
  4. PTC-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die vorgegebene Ausdehnungsstrecke im Bereich von 35 %, vorzugsweise von 50 %, bis zu 110 %, vorzugsweise bis zu 100 %, der maximalen statischen Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) liegt.
  5. PTC-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Halterung (2, 6, 7, 12, 13) so ausgelegt ist, daß die Begrenzungsvorrichtung (3, 7, 8, 9, 11, 13) die große Gegenkraft nach kontinuierlichem Ansteigen einer Gegenkraft gegen die Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) erzeugt.
  6. PTC-Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die Halterung (2, 6, 7, 12, 13) ein elastisches Medium (3, 4, 9, 11) aufweist, das die kontinuierliche Ansteigung der Gegenkraft erzeugt.
  7. PTC-Bauelement nach Anspruch 6, bei dem das elastische Medium eine erste Feder (4) ist.
  8. PTC-Bauelement nach Anspruch 6, bei dem das elastische Medium ein eingeschlossenes Gasvolumen (9) ist.
  9. PTC-Bauelement nach Anspruch 6, bei dem das elastische Medium ein Elastomerelement (11) ist.
  10. PTC-Bauelement nach einem der Ansprüche 6 - 9, bei dem die Halterung so ausgelegt ist, daß die kontinuierlich ansteigende Gegenkraft des elastischen Mediums (3, 9, 11) bei einer über die vorgegebene Ausdehnungsstrecke hinausgehenden Ausdehnung des PTC-Polymerelements (1) kontinuierlich in die große Gegenkraft der Begrenzungsvorrichtung übergeht.
  11. PTC-Bauelement nach Anspruch 7 und Anspruch 10, bei dem die Begrenzungsvorrichtung eine zweite Feder (3) mit wesentlich größerer Federkonstante als die der ersten Feder (4) aufweist.
  12. PTC-Bauelement nach Anspruch 8 und Anspruch 10, bei dem das Gas (9) ein hohes Kovolumen aufweist.
  13. PTC-Bauelement nach Anspruch 9 und Anspruch 10, bei dem die Halterung (3, 7, 8, 9, 11, 13) so ausgelegt ist, daß das Elastomerelement (3, 9, 11) am Ende der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke an die Grenze seines Elastizitätsbereichs gelangt.
  14. PTC-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die große Gegenkraft so groß ist, daß es bei den maximal zulässigen Belastungen des PTC-Polymerelements (1) bei einem PTC-Übergang nicht zu einem Überschwingvorgang der Ausdehnungsbewegung des PTC-Polymerelements (1) kommt.
  15. PTC-Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die geringe Gegenkraft innerhalb der vorgegebenen Ausdehnungsstrecke auf die minimale Querschnittsfläche des PTC-Polymerelements (1) bezogen höchstens 25N/cm2 beträgt.
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